JP2011238704A - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体装置の製造方法は、基板上に、SiおよびCを含むキャップ絶縁膜を形成する工程と、キャップ絶縁膜上に、キャップ絶縁膜と比較して、シリコン原子数に対する炭素原子数の組成比が高い、有機シリカ膜を形成する工程と、不活性ガス、Nを含むガス、フッ化炭素ガスおよび酸化剤ガスを含む混合ガスを用いたプラズマ処理により、有機シリカ膜に、異なる開口径を有する2以上の凹部を形成する工程と、を含む。
【選択図】図10
Description
基板上に、SiおよびCを含む絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上に、前記絶縁膜と比較して、シリコン原子数に対する炭素原子数の組成比が高い、有機シリカ膜を形成する工程と、
不活性ガス、Nを含むガス、フッ化炭素ガスおよび酸化剤ガスを含む混合ガスを用いたプラズマ処理により、前記有機シリカ膜に、異なる開口径を有する2以上の凹部を形成する工程と、を含む半導体装置の製造方法が提供される。
上記半導体装置の製造方法で得られた半導体装置が提供される。
基板と、
前記基板上に設けられた層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜内に複数の配線溝が設けられており、前記配線溝にそれぞれ埋め込まれた第1の金属膜と、
前記層間絶縁膜上に設けられており、SiおよびCを含む絶縁膜と、
前記絶縁膜上に設けられており、前記絶縁膜と比較して、シリコン原子数に対する炭素原子数の組成比が高い、有機シリカ膜と、
前記有機シリカ膜に第1の凹部と前記第1の凹部より開口径が大きい第2の凹部が設けられており、前記第1の凹部および前記第2の凹部のそれぞれに埋め込まれた第2の金属膜と、を備え、
前記第2の金属膜と前記第1の金属膜とは電気的に接続しており、
前記第1の凹部および前記第2の凹部のそれぞれにおける前記第2の金属膜と前記第1の金属膜との間の前記第1の金属膜の表面において、透過型電子顕微鏡と電子エネルギ損失分光法とにより測定したとき、前記第1の金属膜を構成する金属の酸化物に相当するピークを有しないように構成されている、半導体装置が提供される。
図9(c)は、本実施の形態の半導体装置の模式的な断面図を示す。
本実施の形態の半導体装置は、基板(シリコン基板)と、下層配線構造201と、下層配線構造201中のSiおよびCを含むキャップ絶縁膜201d上に設けられており、キャップ絶縁膜201dと比較して、シリコン原子数に対する炭素原子数の組成比(以下、C/Siと称する)が高い、有機シリカ膜202と、有機シリカ膜202内に第1の凹部(開口部208)および第2の凹部(開口部209)が設けられており、これらの開口部に埋め込まれた第2の金属膜(Cu膜211)とを備える。
開口部208と開口部209との開口径(または開口面積)は異なる。例えば、開口部208の開口径は、開口部209より大きい。そして、開口部208におけるCu膜211およびCu膜201c(第1の金属膜)の界面組成と、開口部209におけるCu膜211およびCu膜201cの界面組成とについては、開口率に依存することなく均質である(だたし、Cu膜211の底部にバリアメタル膜210が形成されている場合には、バリアメタル膜210とCu膜201cと界面組成が均質となるように構成させている)。このため、開口部208および開口部209のそれぞれにおけるCu膜211とCu膜201cとの間のCu膜201cの表面において、Cu膜201cを構成する金属(Cu)の酸化物(CuO)が実質的に存在しないように構成されている。
ここで、酸化物(CuO)が実質的に存在しないとは、開口部208および開口部209のそれぞれにおけるCu膜211とCu膜201cとの間のCu膜201cの表面において、透過型電子顕微鏡と電子エネルギ損失分光法とにより測定した(TEM−EELS)、Cu膜201cを構成する金属(Cu)のピークと比較して突出している、酸化物(CuO)に相当するピークが存在しないことを意味する。
本実施の形態の半導体装置の製造方法は、基板上に、SiおよびCを含むキャップ絶縁膜201dを形成する工程と、キャップ絶縁膜201d上に、キャップ絶縁膜201dと比較して、シリコン原子数に対する炭素原子数の組成比が高い、有機シリカ膜202を形成する工程と、不活性ガス、Nを含むガス、フッ化炭素ガスおよび酸化剤ガスを含む混合ガスを用いたプラズマ処理により、有機シリカ膜202に、異なる開口径を有する2以上の凹部(開口部208、開口部209)を形成する工程と、を含む。
図1に示すように、N2ガスの流量が増加すると、キャップ絶縁膜に対する有機シリカ膜のエッチング選択比(以下、エッチング選択比と略称する)が、増加する。また、不活性ガスを基準に換算すると、N2/Ar比が増加すると、エッチング選択比も増加する。
この点について説明する。まず、N2ガス中のNは、励起されると、有機シリカ膜中のCと反応する。有機シリカ膜の炭素含有量を多くし、一方キャップ絶縁膜の炭素含有量を少なくする。これにより、有機シリカ膜のエッチレートが増加し、一方キャップ絶縁膜のエッチレートが低下する。このため、上記エッチング選択比が高くなる。
また、N2はイオン化しやすい元素であり、かつArよりも原子番号が小さくイオンボンバードメントが小さいため、高イオン性エッチングに用いてもサブトレンチの形成が抑制できる。そのため、加工均一性の高いエッチングを実現することができる。
N2/Ar比としては、特に限定されないが、1以上が好ましく、1.5以上がより好ましい。
以上により、N2ガスを用いると、キャップ絶縁膜よりも炭素含有量が高い有機シリカ膜において、エッチング選択比を向上させることができる。この点は、N2ガスに限らず、Nを含むガスについても言える。そして、エッチング選択比を向上させることにより、開口径が異なるビア間の深さのバラツキを抑制することができる。
したがって、キャップ絶縁膜に対する、有機シリカ膜の(C/Si)を1以上、より好ましくは2以上とすることにより、Nを含むガスによるエッチング選択比を向上させることができる。
図2に示すように、C/Si比が1以上の有機シリカ膜のエッチングにおいては、CF4の流量が所定値以上の場合、エッチング速度が飽和し、一定となる。また、O2ガスを基準に換算すると、CF4/O2比が、所定値以上の場合、エッチング速度は飽和し、一定となる。図2から、CF4/O2比が4以上のとき、エッチング速度は飽和し、一定となることが分かる。
したがって、このようなCF4/O2比でエッチングを行うと、ビア間の開口径(または開口面積)に依存せずに、エッチング速度が一定となるため、開口径が異なるビア間において、ビア深さを同じにすることができる。
本実施の形態においては、CF4/O2比は、1.0以上、5.0以下が好ましい。CF4/O2比を下限値以上とすることにより、エッチング速度のバラツキを抑制することができ、一方、上限値以下とすることにより、エッチング選択性が向上し、加工制御性に優れる。
したがって、キャップ絶縁膜に対する、有機シリカ膜の(C/Si)が1以上、より好ましくは2以上とすることにより、フッ化炭素ガスによるエッチング選択比を向上させることができる。
この点について補足する。CF4流量が小さくなると、Siエッチレートが小さくなる。本実施の形態においては、Si含有量においては、有機シリカ膜では小さく、キャップ絶縁膜では大きい。このため、キャップ絶縁膜のエッチレートが小さくなる。これにより、エッチング選択比を向上させることができる。
これにより、開口径が異なるビア間において、ビア深さのバラツキを抑制することができる。また、ビア直下のエッチング絶縁膜の残膜をビア間で同等にできるので、それぞれの開口部における下層配線の界面組成については、開口率に依存することなく、均質とすることができる。
環状有機シロキサンは、環状シロキサン構造と、その側鎖に炭化水素基を有する。
環状シロキサンは、Si−O(シロキサン結合)を1ユニットとして数えた場合に、複数のユニットからなる環状構造を有する。この環状シロキサンは、同数のシリコン(Si)原子と酸素(O)原子が交互に連なった環状構造を有する。環状構造としては、例えば、3員環、4員環、5員環が挙げられる。環状構造としては、プロセス安定性の観点から、空孔径が小さい3員環が好ましい。
アルキル基としては、例えば、1〜8の炭素数を有するアルキル基である。アルキル基の一例としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基等が挙げられる。
アルケニル基としては、例えば、1〜8の炭素数を有するアルケニル基である。アルケニル基の一例としては、ビニル基、アリル基等である。
平均空孔径は、小角エックス線散乱法や陽電子消滅法、高分解能の電子顕微鏡観察等により測定することができる。
このC/Si比率を上記範囲内とすることにより、エッチング選択比の向上とプロセス安定性の両立を実現できる。とくに、C/Si比率が2以上のC含有量の多い有機シリカ膜を用いると、エッチング生成物であるCxFy膜を形成しやすく、飽和CF4/O2比を利用したエッチングレートのコントロールが容易となる。また、Siを主とするキャップ絶縁膜との組成の相違を大きくすることにより、有機シリカ膜/キャップ絶縁膜のエッチング選択性が向上して、加工選択性が向上する。
図3は、本実施形態の第1例に係わる半導体装置の製造工程を示す工程断面図である。図4は、本実施形態における成膜装置の概略を示す。図5は、本実施の形態による効果を説明する図である。図6は、本実施の形態のラインとビアの断面図である。
有機シリカ膜2の成膜方法については、プラズマ重合法を用いる。また、ハードマスク3の形成にCVD法を用いても良いが、有機シリカ膜2の形成にもCVD法を用いても良い。このとき、ハードマスク3は、有機シリカ膜2と組成が異なる本実施の形態に係る有機シリカ膜2を用いた積層構造を有してもよい。ハードマスク3上にはレジストマスク4を形成し、これを用いて開口径の異なるライン状のビア5と柱状のビア6とをドライエッチングにより形成する(図1(b))。ビアの形成においては、開口径が異なっていても同等のエッチング速度で、ビアホールをキャップ絶縁膜1dまでエッチングできる。このため、キャップ絶縁膜へのオーバーエッチング量は、開口径・開口面積に依らず同等である。このとき、キャップ絶縁膜の残膜厚も開口径・開口面積に依らず同等である。
本実施の形態に係る有機シリカ膜の一例としては、組成比がSi:O:C=1:0.9:2.7の多孔質SiOCH膜を用いることができる。この多孔質SiOCH膜の空孔は、独立空孔であり径が0.8nm以下とすることができる。
図4は、有機シリカ膜の成膜装置の模式図を示す。本実施の形態に係る成膜装置は、リザーバ101、原料圧送部102、キャリアガス供給部103、液体マスフロー104、ガスマスフロー105、気化器106、リアクタ107、RF電源109、排気ポンプ110を備える。
リザーバ101は、モノマー原料を保管・貯蔵する容器である。原料圧送部102は、リザーバ101内の原料を圧送するガスを供給する。圧送ガスには、Heが使われる。キャリアガス供給部103は、モノマー原料を輸送するためのHeを供給する。液体マスフロー104は、供給する原料流量を制御する。ガスマスフロー105は、キャリアガスであるHe流量を制御する。気化器106は、モノマー原料を気化する。気化温度は、原料の沸点や蒸気圧、重合開始温度から決めることが好ましく、一般には50℃〜200℃であり、75℃〜150℃であることが適切である。気化温度が50℃以下と低温の場合、気化が不安定になる場合がある。一方、200℃以上の高温の場合、原料分子の一部が気化前に熱分解あるいは熱重合してしまう場合もある。リアクタ107は、気体となった原料をプラズマ重合により成膜を行う成膜室である。
まず、原料圧送部102が供給するHeガスにより、リザーバ101から原料が送り出される。液体マスフロー104により、原料流量は制御される。一方、キャリアガス供給部103からはHeガスが供給される。Heガス流量は、ガスマスフロー105によって制御される。原料とキャリガスであるHeガスは、気化器106の直前で混合され、気化器106内に導入される。気化器106内には加熱されたヒータブロック(図示せず)が配置されている。気化器106内で、液体モノマー原料は気化され、気化物はキャリアガスと共にリアクタ107に導入される。リアクタ107内では、例えば13.56MHzの高周波により、気化したモノマー原料とキャリアガスがプラズマ化し、基板108上に有機シリカ膜が成膜される。
このとき、不活性ガスは、Arに代えて、He等の希ガスであっても良い。
反応促進ガスは、N2に代えて、アンモニアガスやメチルアミン、ジメチルアミン、トリメチルアミンのようなアミン系ガスでも良く、炭酸アンモニウムのような第4級アンモニウムであっても良く、これらの複合ガスであっても良い。
また、フッ化炭素ガスは、CF4に代えて、CHF3、CH2F2,CHF3、C2F6,C2H2F4,C2H4F2,C2F4、C2H2F2、C3F8、C3H2F6、C3H4F4,C3H6F2、C3F6、C3HF5、C3H3F3,C3H4F2またはC3H5F等、またはこれらの複合ガスであっても良い。また、酸化剤ガスは、O2に代えて、CO2、CH3OH、C2H5OH、C3H7OH、N2O、NO、N2O3,NO2、N2O4またはN2O5の内どれかのガスあっても良く、これらの複合ガスであっても良い。
以上により、ビア部へのCu埋設後において、ウエハ面内でビアと下層Cu配線の界面組成および形状は均質となる。ここで、界面組成とは、例えばCu(Cu膜1c)の表面付近の酸素の含有量などを指す。本第1例のおいては、ビアホール(ビア5)とスリットビアパターン(ビア6)とのビア/Cu配線界面の組成分析を行っても、検出される状態は同等となる。
これに対して、本第1例では、ビア加工後のキャップ絶縁膜の残膜を制御できる。本第1例においては、ビア加工後のキャップ絶縁膜1dの残膜は同程度であり、酸化等からCu(Cu膜1c)を保護することが可能となる。このため、本第1例においては、開口径の異なるビア間のCu配線の表面全体については、TEM−EELSにより測定されるCuに相当するピークに対して突出する、CuOに相当するピークが存在しないように構成されている。すなわち、開口径の異なるビア間のCu配線の表面全体においては、酸化を防止されており、CuOが実質的に存在しない構成となっている。このため、ビア/Cu配線界面の組成や形状がウエハ面内で均質に制御でき、ビア抵抗のバラツキを小さくすることが可能となり、信頼性を向上させることができる。
本実施の形態においては、キャップ絶縁膜に対する、有機シリカ膜の(C/Si)が1以上とすることにより、Nを含むガスによるエッチング選択比を向上させることができる。そして、エッチング選択比を向上させることにより、開口径が異なるビア間の深さのバラツキを抑制することができる。
これに対して、本実施の形態においては、炭素に富んだ有機シリカ膜(例えば、(C/Si)が2以上)を用いることにより、プロセスダメージ抑制することができる。高Ar流量化による高イオン性エッチングを用いつつも、上記懸念を回避することができる。
これに対して、本実施の形態においては、炭素に富んだ有機シリカ膜(例えば、(C/Si)が1以上)を用いることにより、このような弊害を回避することができる。
図7〜図9は、本実施形態の第2例に係わる半導体装置の製造工程を示す工程断面図である。図10は、本実施形態の第2例に係わる半導体装置の鳥瞰図である。
ビア205およびビア206の形成に際しては、第1例で示したビア5およびビア6と同様の手法により形成してもよい。
以上のようにして、図10に示すような本実施の形態の半導体装置が得られる。
これに対して、本実施例ではウエハ面内でビアと下層Cu配線の界面組成および形状は均質となっている。このため、開口径・開口面積に依らず、Cu配線中不純物の検出量は同等となる。これらのビア/下層Cu配線界面の組成は、TEM−EELS等の物理分析手法により検出できる。
第2例においても、第1例と同様の効果が得られる。
図11は、本実施形態の第3例に係わる半導体装置の鳥瞰図である。
第3例の半導体装置においては、アナログ/RF等の信号処理を行う。この場合には、インダクタとしてCu配線を渦形状に形成することができる。
第3例においても、第1例と同様の効果が得られる。
図12は、本実施形態の第4例に係わる半導体装置の鳥瞰図である。
第4例の半導体装置のおいては、アナログ信号とデジタル信号を変換するA/Dコンバータにおいて、ローカル配線の配線間容量を、平行平板の容量素子の容量として用いる構成を有する。
ただし、上層Cu配線403については、図12に示す構造に限定されるものではなく、スリットビア402よりも太い配線幅であっても良いし、同等の配線幅であっても良い。また、スリットビア402は開口径または形状の異なる複数のビアであっても良い。
ここで、スルーホールビアをトレンチ配線より先に形成する、いわゆるビアファースト・デュアルダマシン加工法では、銅配線上に形成されているキャップ絶縁膜上でエッチングをストップさせ、さらに、オーバーエッチングを行うことで、エッチング速度のパターン間差や面内バラツキ等を吸収している。さらに、このキャップ絶縁膜によって下層Cu配線が保護された状態であることにより、配線層間絶縁膜にトレンチ配線形成を行う次工程における、下層Cu配線層の酸化などの表面変質による接続歩留まり低下や信頼性劣化を防止している。そのため、ビアファースト・デュアルダマシン加工法は、ビア加工深さバラツキが小さく、ビア下の開口制御が容易であることから、ビア加工を途中で止めるトレンチファースト・デュアルダマシン加工法よりも加工制御性が高いプロセスとされている。
絶縁膜とは、例えば配線材を絶縁分離する膜(層間絶縁膜)であり、低誘電率絶縁膜とは、半導体素子を接続する多層配線間の容量を低減するために使用される、シリコン酸化膜(比誘電率3.9〜4.5)よりも比誘電率の低い材料を指す。特に、多孔質絶縁膜としては、例えば、シリコン酸化膜を多孔質化して、比誘電率を小さくした材料や、HSQ(ハイドロゲンシルセスキオキサン(Hydrogen Silsesquioxane))膜、もしくは有機シリカ膜、SiOC(例えば、Black DiamondTM、CORALTM、AuroraTM)などを多孔質化して、比誘電率を小さくした材料などがある。これらの膜のさらなる低誘電率化が望まれているところである。
1a 有機シリカ膜
1b バリアメタル膜
1c Cu膜
1d キャップ絶縁膜
2 有機シリカ膜
3 ハードマスク
4 レジスト
5 ビア
6 ビア
101 リザーバ
102 原料圧送部
103 キャリアガス供給部
104 液体マスフロー
105 ガスマスフロー
106 気化器
107 リアクタ
108 基板
109 RF電源
110 排気ポンプ
201 下層配線構造
201a 有機シリカ膜
201b バリアメタル膜
201c Cu膜
201d キャップ絶縁膜
202 有機シリカ膜
203 ハードマスク
204 レジスト
205 ビア
206 ビア
207 レジスト
208 開口部
209 開口部
210 バリアメタル膜
211 Cu膜
212 キャップ絶縁膜
220 上層配線構造
301 下層Cu配線
302 スリットビア
303 上層Cu配線
401 下層Cu配線
402 スリットビア
403 上層Cu配線
Claims (19)
- 基板上に、SiおよびCを含む絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上に、前記絶縁膜と比較して、シリコン原子数に対する炭素原子数の組成比が高い、有機シリカ膜を形成する工程と、
不活性ガス、Nを含むガス、フッ化炭素ガスおよび酸化剤ガスを含む混合ガスを用いたプラズマ処理により、前記有機シリカ膜に、異なる開口径を有する2以上の凹部を形成する工程と、を含む半導体装置の製造方法。 - 前記不活性ガスの流量に対する前記Nを含むガスの流量の比が、1以上である、請求項1に記載の半導体装置の製造棒法。
- 前記酸化剤ガスの流量に対する前記フッ化炭素ガスの流量の比が、1以上5以下である、請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記絶縁膜に対する、前記有機シリカ膜の前記組成比が2以上である、請求項1から3のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記Nを含むガスが、窒素ガス、アンモニアガス、アミンガスからなる群から選択される少なくとも一種を含む、請求項1から4のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記フッ化炭素ガスは、CF4、CHF3、CH2F2,CHF3、C2F6,C2H2F4,C2H4F2,C2F4、C2H2F2、C3F8、C3H2F6、C3H4F4,C3H6F2、C3F6、C3HF5、C3H3F3,C3H4F2あるいはC3H5Fからなる群から選択される少なくとも一種を含む、請求項1から5のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記酸化剤ガスが、O2、CO2、CH3OH、C2H5OH、C3H7OH、N2O、NO、N2O3,NO2、N2O4およびN2O5からなる群から選択される少なくとも一種を含む、請求項1から6のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記絶縁膜が、SiC、SiCN、またはSiOCN、を含む、請求項1から7のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記有機シリカ膜が、多孔質絶縁膜であり、前記多孔質絶縁膜の平均空孔径が1nm未満である、請求項1から8のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 請求項1から11のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法で得られた半導体装置。
- 基板と、
前記基板上に設けられた層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜内に複数の配線溝が設けられており、前記配線溝にそれぞれ埋め込まれた第1の金属膜と、
前記層間絶縁膜上に設けられており、SiおよびCを含む絶縁膜と、
前記絶縁膜上に設けられており、前記絶縁膜と比較して、シリコン原子数に対する炭素原子数の組成比が高い、有機シリカ膜と、
前記有機シリカ膜に第1の凹部と前記第1の凹部より開口径が大きい第2の凹部が設けられており、前記第1の凹部および前記第2の凹部のそれぞれに埋め込まれた第2の金属膜と、を備え、
前記第2の金属膜と前記第1の金属膜とは電気的に接続しており、
前記第1の凹部および前記第2の凹部のそれぞれにおける前記第2の金属膜と前記第1の金属膜との間の前記第1の金属膜の表面において、透過型電子顕微鏡と電子エネルギ損失分光法とにより測定したとき、前記第1の金属膜を構成する金属の酸化物に相当するピークを有しないように構成されている、半導体装置。 - 前記絶縁膜に対する、前記有機シリカ膜の前記組成比が2以上である、請求項13に記載の半導体装置。
- 前記絶縁膜が、SiC、SiCN、またはSiOCN、を含む、請求項13または14に記載の半導体装置。
- 前記有機シリカ膜が、多孔質絶縁膜であり、前記多孔質絶縁膜の平均空孔径が1nm未満である、請求項13から15のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記金属がCuであり、前記酸化物がCuOである、請求項13から18のいずれか1項に記載の半導体装置。
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